電力機(jī)車輔助電機(jī)PID控制研究

王安明，林 輝

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

電力機(jī)車輔助電機(jī)主要是為了保證主電路的正常工作而設(shè)計(jì)的輔助設(shè)備，其是否投入工作取決于主電路的工作狀態(tài)，即使在環(huán)境溫度很低的情況下，盡管主電路工作在牽引或制動(dòng)工況，但這些輔助設(shè)備服務(wù)的主電路電器設(shè)備的溫升并不高，這不僅造成能源浪費(fèi)，增加了設(shè)備的損耗，降低其使用壽命，同時(shí)也產(chǎn)生很大的機(jī)械和電磁噪聲，影響乘務(wù)作業(yè)人員工作的舒適度。如果研究開發(fā)一個(gè)有閉環(huán)控制功能的控制系統(tǒng)，在需要輔助電機(jī)投入工作時(shí)控制其投入工作，不需要?jiǎng)t使其停機(jī)，基于新型傳感器、PLC和HMI的輔助電機(jī)PID控制系統(tǒng)就是本課題的研究?jī)?nèi)容。

輔助電機(jī)是電力機(jī)車輔助電路的重要設(shè)備，它包括異步劈相機(jī)、空氣壓縮機(jī)電機(jī)、牽引通風(fēng)機(jī)電機(jī)、制動(dòng)通風(fēng)機(jī)電機(jī)、變壓器風(fēng)機(jī)電機(jī)和潛油泵電機(jī)。劈相機(jī)為輔助電路提供三相電源，壓縮機(jī)為機(jī)車提供風(fēng)源，牽引風(fēng)機(jī)對(duì)整流裝置、平波電抗器和牽引電機(jī)強(qiáng)迫冷卻，變壓器風(fēng)機(jī)和潛油泵則為變壓器散熱。這些電機(jī)的功率從10千瓦到35千瓦不等，是電力機(jī)車除牽引電機(jī)外功率最大的耗能設(shè)備，以一臺(tái)6軸電力機(jī)車為例，輔助電機(jī)的功率總和就達(dá)300 kW，韶山4型等8軸電力機(jī)車的輔助電機(jī)的功率總和甚至更大[1]。更重要的是，這些功率很大的耗能設(shè)備控制完全是由司機(jī)進(jìn)行人工控制的。在這些輔助電機(jī)中，牽引風(fēng)機(jī)電機(jī)的功率僅次于劈相機(jī)，出于電力機(jī)車運(yùn)行安全的考慮，在邏輯控制環(huán)節(jié)設(shè)置了聯(lián)鎖，在制動(dòng)工況和牽引工況的高級(jí)位，即使在寒冷的冬季，在環(huán)境溫度很低，無(wú)需對(duì)牽引電機(jī)、平波電抗器、主變壓器等設(shè)備強(qiáng)迫冷卻的的情況下，也必須開啟牽引風(fēng)機(jī)，也就是說(shuō)風(fēng)機(jī)開啟的條件和時(shí)機(jī)不是根據(jù)上述設(shè)備的溫升，而是由機(jī)車所處的工況決定的。這樣的控制策略存在明顯的不足，既不科學(xué)也不節(jié)能，在提倡節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)成為社會(huì)共識(shí)的大背景下，應(yīng)根據(jù)機(jī)車具體情況，研究并優(yōu)化機(jī)車輔助電機(jī)控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義。

對(duì)于電力機(jī)車輔助電機(jī)控制，首先應(yīng)該明確控制對(duì)象，分析它們的特點(diǎn)和控制要求，研究控制策略，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)方案，確定具體的實(shí)現(xiàn)途徑。在上述的輔助電機(jī)中，劈相機(jī)的作用是把單相工頻交流電變成三相工頻交流電，是其他輔助電機(jī)正常工作的前提條件，它的控制是人工控制的，此外，空氣壓縮機(jī)根據(jù)總風(fēng)缸的壓力由壓力控制器控制，制動(dòng)通風(fēng)機(jī)是電阻制動(dòng)工況時(shí)由司機(jī)控制，它們的控制方式不做改變。牽引通風(fēng)機(jī)、變壓器通風(fēng)機(jī)的控制是司機(jī)人工控制的，它們的控制策略有待優(yōu)化，控制方式改為PID控制，因此它們的控制是本文研究的對(duì)象。

1 控制策略的選擇

牽引風(fēng)機(jī)的作用是給牽引電機(jī)冷卻，變壓器風(fēng)機(jī)的作用是給變壓器冷卻，因此控制策略的選擇應(yīng)即能保證上述電氣設(shè)備的正常可靠工作，又要考慮節(jié)能，安全、可靠、合理是基本要求[2]，同時(shí)也要兼顧有較高的自動(dòng)化程度、較低的成本和技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)等因素。風(fēng)機(jī)控制問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是要根據(jù)控制對(duì)象的溫升和環(huán)境溫度的變化科學(xué)合理控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，也就是控制對(duì)象需要通風(fēng)時(shí)啟動(dòng)，不需要通風(fēng)時(shí)就停止。但是，牽引電機(jī)溫升控制的特點(diǎn)是有較大的滯后性，當(dāng)溫升過(guò)高時(shí)，再進(jìn)行通風(fēng)冷卻，會(huì)造成電機(jī)溫度過(guò)高，影響到電機(jī)的可靠工作，對(duì)電機(jī)本身有一定危害，甚至?xí)斐呻姍C(jī)損壞，這種現(xiàn)象稱為欠調(diào)。隨著電機(jī)的通風(fēng)冷卻，電機(jī)溫度隨之下降，當(dāng)降到電機(jī)的安全工作溫度時(shí)，再控制風(fēng)機(jī)停止，電機(jī)的溫度可能已經(jīng)很低了，電機(jī)本身不再需要通風(fēng)，這又會(huì)造成浪費(fèi)，起不到合理控制的作用，這種現(xiàn)象稱為過(guò)調(diào)，上述問(wèn)題就是溫度控制系統(tǒng)的滯后性問(wèn)題。

基于上述控制要求及其特點(diǎn)，我們決定采用目前應(yīng)用較為普遍，控制性能優(yōu)良的PID控制器控制。PID是比例積分微分控制器的簡(jiǎn)稱，它能通過(guò)設(shè)置正確的參數(shù)，有效防止溫度調(diào)節(jié)過(guò)程中的欠調(diào)和超調(diào)，獲得較為理想的控制性能。PID控制器的主要參數(shù)有：測(cè)量值、設(shè)定值、比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間、取樣時(shí)間、調(diào)節(jié)死區(qū)等。其中測(cè)量值就是牽引電機(jī)的溫度值，設(shè)定值是根據(jù)電機(jī)的具體型號(hào)確定的參考值，比例系數(shù)的值為一百分比，是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差，比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減小偏差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分時(shí)間的調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度，因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間，積分時(shí)間越大，積分作用就越強(qiáng)，調(diào)節(jié)回應(yīng)就越慢，反之，積分作用就越弱，調(diào)節(jié)回應(yīng)就越快，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)回應(yīng)變慢。微分時(shí)間反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，在微分時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。取樣時(shí)間是系統(tǒng)檢測(cè)電機(jī)溫度的周期。調(diào)節(jié)死區(qū)是當(dāng)測(cè)量值與設(shè)定值的差值小于調(diào)節(jié)死區(qū)的值時(shí)，系統(tǒng)不起調(diào)節(jié)作用，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

硬件方案設(shè)計(jì)是輔助電機(jī)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先應(yīng)滿足故障導(dǎo)向安全原則，其次要求可靠性高、功能豐富、自動(dòng)化程度高、經(jīng)濟(jì)性好、技術(shù)先進(jìn)。

本系統(tǒng)的主要硬件模塊包括可編程控制器（PLC）、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、速度傳感器、電流傳感器、人機(jī)界面（HMI）和電源模塊等。PLC為本系統(tǒng)的核心控制裝置，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度和電機(jī)溫度的多路檢測(cè)，風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)和牽引電機(jī)風(fēng)路通風(fēng)量的檢測(cè)以及輔助電機(jī)各相電流的檢測(cè)等，這些檢測(cè)到的電信號(hào)從PLC的模擬量AIO口輸入，經(jīng)PLC處理后實(shí)現(xiàn)輔助電機(jī)的控制和保護(hù)。此外，PLC數(shù)字量輸入DI口和數(shù)字量輸出口DO作為輔助電機(jī)的邏輯控制環(huán)節(jié)的輸入和輸出。溫度傳感器用來(lái)檢測(cè)環(huán)境溫度和牽引電機(jī)等的溫度，環(huán)境溫度是電機(jī)溫升的參照點(diǎn)，為可靠性考慮，環(huán)境溫度的檢測(cè)至少要檢測(cè)不同的3個(gè)點(diǎn)，因此檢測(cè)環(huán)境溫度的傳感器要有3路。電機(jī)溫度也要用溫度傳感器檢測(cè)，每1臺(tái)牽引電機(jī)溫度的檢測(cè)也要3路，檢測(cè)牽引電機(jī)不同部位的溫度。由于牽引電機(jī)溫度不能進(jìn)行直接接觸檢測(cè)，所以要采用紅外線溫度傳感器。風(fēng)速傳感器的作用是測(cè)量牽引電機(jī)風(fēng)道的風(fēng)速，從而計(jì)算出牽引電機(jī)的通風(fēng)量，作為設(shè)置PID參數(shù)的重要數(shù)據(jù)。速度傳感器監(jiān)視風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以判斷風(fēng)機(jī)是否真正啟動(dòng)以及工作是否正常。電流傳感器檢測(cè)風(fēng)機(jī)電機(jī)的電流，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)電機(jī)的過(guò)流保護(hù)[5]。人機(jī)界面（HMI）則實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相應(yīng)工作參數(shù)的設(shè)置，相關(guān)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)的記錄和存儲(chǔ)以及故障檢測(cè)和診斷信息等的顯示。PLC和HMI的通信用Modbus通信總線連接，通信協(xié)議遵循通用的標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)兩者的信息交換。硬件方案的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)方案Fig.1 Hardware design

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括HMI軟件設(shè)計(jì)和PLC軟件設(shè)計(jì)。HMI軟件設(shè)計(jì)是借助文本顯示器專用軟件開發(fā)工具設(shè)計(jì)主界面、參數(shù)設(shè)置界面、記錄查詢界面、曲線顯示界面及系統(tǒng)管理界面。主界面是系統(tǒng)正常工作時(shí)顯示的界面，也是系統(tǒng)開機(jī)后默認(rèn)進(jìn)入的界面，主要分牽引電機(jī)溫度、風(fēng)機(jī)參數(shù)、環(huán)境溫度和機(jī)車型號(hào)、操作按鈕、系統(tǒng)日期和時(shí)間顯示區(qū)域。牽引電機(jī)溫度顯示區(qū)域依次顯示每臺(tái)牽引電機(jī)的實(shí)時(shí)溫度。風(fēng)機(jī)參數(shù)顯示區(qū)域顯示每臺(tái)風(fēng)機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速和風(fēng)量參數(shù)。主界面底部顯示環(huán)境溫度和機(jī)車型號(hào)，環(huán)境溫度也是實(shí)時(shí)的，機(jī)車型號(hào)是在系統(tǒng)管理界面預(yù)先設(shè)置的。為了在主界面中實(shí)現(xiàn)其他界面的切換，在主界面中設(shè)計(jì)了參數(shù)、記錄、曲線和系統(tǒng)四個(gè)按鈕，用手觸摸即可進(jìn)入相應(yīng)界面進(jìn)行操作。此外，主界面還顯示系統(tǒng)的當(dāng)前日期和時(shí)間。主界面運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主界面Fig.2 Main interface of system

參數(shù)設(shè)置界面是設(shè)置PID控制器的自動(dòng)控制方式、作用控制方式、設(shè)定值、比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間、取樣時(shí)間、調(diào)節(jié)死區(qū)、輸入上限、輸入下限、輸出上限、輸出上限等系統(tǒng)參數(shù)的界面，機(jī)車型號(hào)不同，電機(jī)的型號(hào)也不盡相同，對(duì)應(yīng)的PID的控制參數(shù)也不同，機(jī)車型號(hào)在本界面中用下拉菜單選擇，PID控制器的每一個(gè)參數(shù)都有上限值和下限值，輸入的參數(shù)超出上下限則設(shè)置無(wú)效。

記錄查詢界面是查詢歷史記錄的界面，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)牽引電機(jī)溫升異常，溫度過(guò)高，風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速異常甚至停轉(zhuǎn)，傳感器開路，以及更改參數(shù)等情況時(shí)，系統(tǒng)立即啟動(dòng)事件相應(yīng)，記錄發(fā)生的異常事件日期和時(shí)間、事件名稱及恢復(fù)時(shí)間等信息，并保存在存儲(chǔ)器中，這些歷史記錄既可以在本界面中查看，也可以以只讀文件的形式存儲(chǔ)在U盤中，在PC上用專用的軟件處理生成EXCEL格式的文件。

曲線顯示界面實(shí)時(shí)顯示牽引電機(jī)隨時(shí)間連續(xù)變化的溫度，1臺(tái)電機(jī)對(duì)應(yīng)1條曲線，所有曲線在一屏中顯示，以不同的顏色相互區(qū)別。系統(tǒng)管理界面用來(lái)設(shè)置系統(tǒng)的日期和時(shí)間，操作密碼的設(shè)置和更改。

PLC軟件設(shè)計(jì)在PLC專用軟件設(shè)計(jì)工具中用梯形圖編程實(shí)現(xiàn)，主要內(nèi)容包括PLC型號(hào)的選擇，開關(guān)量輸入的濾波時(shí)間、模擬量輸入輸出的上限和下限、數(shù)據(jù)的采集和處理以及以PID控制器的參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)為主要功能的主程序設(shè)計(jì)[6]。PLC和HMI的通信采用應(yīng)用廣泛的Modbus通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)，通信參數(shù)設(shè)置為：波特率19 200，無(wú)校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)為，2位停止位。為了滿足故障導(dǎo)向安全原則，在系統(tǒng)故障的情況下保證機(jī)車正常工作，在PLC軟件中設(shè)計(jì)了故障診斷功能，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)故障，本控制系統(tǒng)將立即停止工作，同時(shí)PLC的數(shù)字量輸出接通相應(yīng)的邏輯控制電路，切換到由機(jī)車工況決定的人工控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析控制對(duì)象的特點(diǎn)和要求，在滿足故障導(dǎo)向安全原則的前提下，提出了利用PID控制[7]作為控制策略，設(shè)計(jì)了硬件實(shí)現(xiàn)方案，分別編制了PLC和HMI的軟件，通過(guò)模擬運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了文中提出的控制功能。

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